Separadores de aire para chips de 10 nm

Este es el tercero de una serie de cuatro partes sobre artículos destacados de IBM en IEDM 2016.

La reunión anual internacional de dispositivos electrónicos es "el foro preeminente del mundo para informar sobre los avances tecnológicos en las áreas de tecnología, diseño, fabricación, física y modelado de semiconductores y dispositivos electrónicos". Así que los investigadores de IBM trajeron su termómetro de sonda de barrido, su espaciador de aire para un chip de 10 nanómetros, su chip de 7 nm, y para no dejarse superar por el silicio, también trajeron sus nanotubos de carbono. Estos documentos y presentaciones de IBMers y muchos socios participarán en la conferencia de esta semana en San Francisco.

IEDM presenta cuatro artículos de IBM como algunos de los mejores ejemplos de la conferencia de esta reinvención de la computación:extensión de la Ley de Moore, construcción de nuevas arquitecturas y uso de nuevos materiales para ir más allá. Aquí hay un vistazo más de cerca a estos artículos y a los científicos detrás del trabajo. La tercera parte trata sobre el artículo "Air Spacer for 10nm FinFET CMOS and Beyond", del Dr. Kangguo Cheng, miembro del personal técnico senior e inventor maestro de IBM Research.

Si bien hoy en día se pueden fabricar chips de nodo de 14 nm, aún quedan desafíos importantes para dar el salto al siguiente nodo. A medida que los transistores se hacen más pequeños, la capacitancia parásita (carga eléctrica no deseada) causa dos problemas:la señal de conmutación entre transistores se ralentiza, mientras que aumenta el consumo de energía. Cheng y su equipo en el Albany Nanotech Center de IBM exploraron cómo usar el aire como aislante en transistores de 10 nm. Se ha demostrado que sus espaciadores de aire reducen la capacitancia a nivel del transistor hasta en un 25 por ciento, y reducen la capacitancia en un circuito de prueba de oscilador de anillo hasta en un 15 por ciento.

Un transistor tiene cuatro elementos esenciales:un canal, dos depósitos (llamados fuente y drenaje) en dos extremos del canal y una puerta que controla el canal para encender o apagar el transistor. Los contactos (aleaciones metálicas) se utilizan para conectar la fuente, el drenaje y la compuerta a los cables sobre los transistores que luego se conectan para completar el resto del circuito. A medida que los transistores se vuelven cada vez más pequeños, así como cada vez más cercanos, también lo hacen los espacios entre los contactos de un transistor. Parte de la carga eléctrica, en lugar de fluir hacia el canal para realizar un trabajo útil, se almacena en estos espacios. Cuando el transistor cambia, la carga almacenada vuelve a salir, desperdiciando energía. A medida que se necesita más energía para mover estos electrones adicionales hacia adelante y hacia atrás, se necesita más energía para hacer que el chip funcione, lo que también lo calienta más, a veces hasta el punto de ser inutilizable.

Arriba a la izquierda: Imagen TEM de un transistor FinFET con espaciadores de aire (los espacios en blanco) en dimensiones de 10 nm. Arriba a la derecha: Daño después de un proceso agresivo de extracción del espaciador; específicamente, erosión de la aleta y epitaxia fuente / drenaje. Abajo en el medio: Esquema de una estructura de espaciador de aire parcial. Los espaciadores de aire se forman solo por encima de la parte superior de la aleta para minimizar el impacto en la pila de la puerta. Los revestimientos dieléctricos se utilizan para proteger aún más las pilas de compuertas durante los procesos de fabricación de espaciadores de aire.

Por lo tanto, se necesitaba un nuevo material para colocar entre los contactos cercanos para ayudar a evitar que esos molestos electrones se pegaran entre los contactos. Resulta que el mejor material no es ningún material, es aire. Entonces, el equipo de IBM trabajó para descubrir cómo crear un pequeño espacio lleno de aire entre los contactos del transistor para ayudar a controlar cuántos electrones se almacenan en los espacios. El proceso desarrollado da como resultado transistores que usan un 25 por ciento menos de energía y, por extensión, un 15 por ciento menos de energía para todo el circuito.

Los espaciadores de aire ayudarán a alcanzar chips de 10 y 7 nm, así como chips de 14 nm potencialmente más eficientes, para los sistemas de próxima generación.

Lea la primera parte:Mapeo de puntos calientes
Lea la segunda parte:Otro tipo de chip con nanotubos de carbono